Kontrollera ljus med dina ögon: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:38

Den här terminen på college gick jag en klass som heter Instrumentation in Biomedicine där jag lärde mig grunderna i signalbehandling för medicinska applikationer. För klassens sista projekt arbetade mitt team med EOG -teknik (elektrookulografi). I huvudsak skickar elektroder fästa vid någons tempel en spänningsskillnad (baserat på corneo-retinal dipol) till en krets som är utformad för att filtrera och förstärka signalen. Signalen matas till en ADC (analog-till-digital-omvandlare-i mitt fall ADC för en Arduino Uno) och används för att ändra färgerna på en neopixeljuvel.

Denna handledning är ett sätt för mig att spela in vad jag har lärt mig och också dela med den vanliga läsaren hur signaler isoleras från människokroppen (så varnas: den är full av extra detaljer!). Denna krets kan faktiskt användas, med några mindre förändringar, till motorhjärtans elektriska impulser som en EKG -vågform och mycket mer! Även om den verkligen inte är så avancerad och perfekt som maskiner du skulle hitta på ett sjukhus, är denna ögonpositionskontrollerade lampa utmärkt för en första förståelse och glimt.

Obs! Jag är ingen expert på signalbehandling, så om det finns några fel eller om du har förslag på förbättringar, vänligen meddela mig! Jag har fortfarande mycket att lära så kommentarer uppskattas. Många av de papper som jag refererar till i länkar under hela denna handledning kräver också akademisk tillgång som jag har tack vare mitt universitet; ber om ursäkt i förväg för dem som inte har tillgång.

Steg 1: Material

• protoboard
• motstånd (100, 1k, 10k, 33k, 1M + 0,5M)
• kondensator (0.1uF)
• instrumentförstärkare (INA111 i mitt fall, men det finns ett par som borde fungera relativt bra)
• op -förstärkare (valfri - jag råkade ha en LM324N)
• neopixel (alla verk, men jag använde en juvel)
• 9V batterier x2
• 9V batterihuvuden x2
• fasta gelelektroder (elektrodval diskuteras i steg 5)
• potentiometer
• isolerad tråd
• trådavdragare
• lödkolv + löd
• krokodilklämmor (med trådar fästa - löd lite på vid behov)
• varmt lim (för att stabilisera trådar som skulle böjas fram och tillbaka)
• Arduino (går i stort sett ombord på alla verk, men jag använde en Arduino Uno)

REKOMMENDERAR starkt: oscilloskop, multimeter och funktionsgenerator. Probe dina utgångar snarare än att bara lita på mina motståndsvärden!

Steg 2: Fysiologisk bakgrund och behovet av en krets

Snabb ansvarsfriskrivning: Jag är absolut ingen medicinsk expert på detta område, men jag sammanställde och förenklade det jag har lärt mig i klassen/frånGoogling nedan, med länkar för vidare läsning om du vill. Denna länk är också den överlägset bästa översikten över ämnet som jag hittade - innehåller alternativa tekniker.

EOG (elektro-okulografi) fungerar på den corneo-retinala dipolen. Hornhinnan (framsidan av ögat) är något positivt laddad och näthinnan (ögats baksida) är något negativt laddad. När du applicerar elektroder på tinningarna och jordar din krets i pannan (hjälper till att stabilisera dina avläsningar och bli av med 60 Hz interferens) kan du mäta cirka 1-10 mV spänningsskillnader för horisontella ögonrörelser (se bilden ovan). För vertikala ögonrörelser, placera elektroderna ovanför och under ögat istället. Se den här artikeln för en bra läsning om hur kroppen interagerar med elektricitet - bra information om hudimpedans etc. EOG används vanligtvis för att diagnostisera oftalmologiska sjukdomar som grå starr, brytningsfel eller makuladegeneration. Det finns också applikationer inom ögonstyrd robotik där enkla uppgifter kan utföras med ett ögonblick.

För att läsa dessa signaler, dvs beräkna spänningsskillnaden mellan elektroderna, införlivar vi ett viktigt chip som kallas en instrumentförstärkare i vår krets. Denna instrumentförstärkare består av spänningsföljare, en icke-inverterande förstärkare och en differentialförstärkare. Om du inte vet mycket om op -förstärkare, läs detta för en kraschkurs - i huvudsak tar de en ingångsspänning, skala den och matar ut den resulterande spänningen med hjälp av dess strömskenor. Integrationen av alla motstånd mellan varje steg hjälper till med toleransfel: normalt har resistorer 5-10% tolerans i värden, och den vanliga kretsen (inte helt integrerad i en instrumentförstärkare) skulle starkt förlita sig på noggrannhet för bra CMMR (se nästa steg)). Spänningsföljare är för hög ingångsimpedans (diskuteras i ovanstående stycke - viktig för att förhindra skada på patienten), den icke -inverterande förstärkaren ska säkerställa hög förstärkning av signalen (mer om förstärkning i nästa steg) och differentialförstärkaren tar skillnaden mellan ingångarna (subtraherar värdena från elektroderna). Dessa är utformade för att krossa så mycket vanligt brus/störningar som möjligt (för mer information om signalbehandling, se nästa steg) för biomedicinska signaler, som är fyllda av främmande artefakter.

Elektroderna har en viss hudimpedans eftersom hudens vävnader och fett hindrar den direkta mätningen av spänningar, vilket leder till behovet av signalförstärkning och filtrering. Här, här och här är några artiklar där forskare har försökt kvantifiera denna impedans. Denna fysiologiska kvantitet modelleras vanligen som ett 51kOhm -motstånd parallellt med en 47nF kondensator, även om det finns många variationer och kombinationer. Hud på olika platser kan ha olika impedanser, särskilt när man tänker på de olika tjocklekarna och mängderna av intilliggande muskler. Impedansen förändras också med hur väl din hud är förberedd för elektroder: grundlig rengöring med tvål och vatten föreslås generellt för att säkerställa utmärkt vidhäftning och konsistens, och det finns till och med specialgeler för elektroder om du verkligen önskar perfektion. En viktig anmärkning är att impedansen ändras med frekvens (karakteristik för kondensatorer) så att du måste känna till din signalbandbredd för att kunna förutsäga impedans. Och ja, uppskattning av impedans ÄR viktigt för brusmatchning - se senare steg för mer information om detta.

Steg 3: Signalbehandling: Varför och hur?

Varför kan du inte bara använda 1-10mV spänningsskillnaden som en omedelbar utgång för att styra lysdioder? Det finns många anledningar till att filtrera och förstärka signaler:

• Många ADC: er (analog-till-digital-omvandlare-ta din analoga ingång och digitalisera dem för att läsa och lagra data på datorn) kan helt enkelt inte upptäcka så små förändringar. Till exempel är Arduino Unos ADC specifikt en 10-bitars ADC med 5V-utgång, vilket betyder att den kartlägger 0-5V ingångsspänningar (värden utanför intervallet kommer att "skena", vilket innebär att lägre värden kommer att läsas som 0V och högre värden läses som 5V) till heltal mellan 0 och 1023. 10mV är så liten i det 5V -intervallet, så om du kan förstärka din signal till hela 5V -intervallet kommer små förändringar lättare att upptäckas eftersom de kommer att reflekteras av större kvantitativa förändringar (5mV ändras till 10mV i motsats till 2V ändras till 4V). Tänk på det som en liten bild på din dator: detaljerna kan definieras perfekt av dina pixlar, men du kommer inte att kunna skilja former om du inte expanderar bilden.

  Observera att det är bättre att ha fler bitar för din ADC eftersom du kan minimera kvantiseringsbrus från att förvandla din kontinuerliga signal till diskreta, digitaliserade värden. För att beräkna hur många bitar du behöver för ~ 96% lagring av ingång SNR, använd N = SNR (i dB)/6 som tumregel. Du vill dock också ha din plånbok i åtanke: om du vill ha fler bitar måste du vara villig att ta ut mer pengar

• Buller och störningar (brus = slumpmässiga artefakter som gör dina signaler taggiga istället för släta kontra störningar = icke -slumpmässiga, sinusformiga artefakter från intilliggande signaler från radiovågor, etc.) plågar alla signaler som mäts från vardagen.

  • Den mest kända är 60Hz interferens (50Hz om du är i Europa och ingen i Ryssland eftersom de använder DC i motsats till AC för uttag …), som kallas nyttofrekvens från AC -elektromagnetiska fält i eluttag. Kraftledningar bär högspänning från elektriska generatorer till bostadsområden, där transformatorer sänker spänningen till standard ~ 120V i amerikanska eluttag. Växelspänningen leder till detta konstanta bad med 60Hz interferens i vår omgivning, som stör alla typer av signaler och måste filtreras bort.

  • 60Hz interferens kallas vanligtvis störning i vanligt läge eftersom det visas i båda dina ingångar (+ och -) för op -förstärkare. Nu har op -förstärkare något som kallas common mode rejection ratio (CMRR) för att minska vanliga mode -artefakter, men (rätta mig om jag har fel!) Detta är främst bra för vanliga lägesljud (slumpmässigt: brus istället för icke -slumpmässiga: störningar). För att bli av med 60Hz kan bandstopfilter användas för att selektivt ta bort det från frekvensspektrumet, men då riskerar du också att ta bort faktiska data. I bästa fall kan du använda ett lågpassfilter för att bara hålla ett frekvensintervall lägre än 60Hz, så allt med högre frekvenser filtreras bort. Det var vad jag gjorde för EOG: den förväntade bandbredden för min signal var 0-10Hz (försummade snabba ögonrörelser-ville inte hantera det i vår förenklade version) så jag tog bort frekvenser större än 10Hz med ett lågpassfilter.

    • 60Hz kan förstöra våra signaler via kapacitiv koppling och induktiv koppling. Kapacitiv koppling (läs upp på kondensatorer här) uppstår när luft fungerar som en dielektrikum för AC -signaler som ska ledas mellan angränsande kretsar. Induktiv koppling kommer från Faradays lag när du kör ström i ett magnetfält. Det finns många trick för att övervinna koppling: du kan till exempel använda en jordad sköld som en slags Faraday-bur. Vridning/flätning av ledningar minskar om möjligt det tillgängliga området för induktiv koppling för att störa. Korta ledningar och minska den totala storleken på din krets har också samma effekt av samma anledning. Att förlita sig på batteriström för förstärkare i stället för att ansluta till ett eluttag hjälper också eftersom batterierna ger en likströmskälla utan sinusformad svängning. Läs mycket mer här!

    • Lågpassfilter blir också av med mycket brus, eftersom slumpmässigt brus representeras av höga frekvenser. Många ljud är vitt brus, vilket innebär att brus finns för alla frekvenser, så att begränsa din signalbandbredd så mycket som möjligt hjälper till att begränsa hur mycket av det bruset som finns i din signal.

      Vissa lågpassfilter kallas anti-aliasing-filter eftersom de förhindrar aliasing: när sinusoider är under provtagning kan de detekteras som en annan frekvens än de faktiskt är. Du bör alltid komma ihåg att följa Nyquists samplingssats (samplingssignaler vid 2x högre frekvens: behöver en samplingsfrekvens på> 2Hz för en förväntad 1Hz sinusvåg, etc). I det här EOG -fallet behövde jag inte oroa mig för Nyquist eftersom min signal förväntades huvudsakligen ligga inom 10Hz -intervallet och mina Arduino ADC -prover vid 10kHz - mer än tillräckligt snabbt för att fånga allt

  • Det finns också små knep för att bli av med buller. Den ena är att använda en stjärngrund så att alla delar av dina kretsar har exakt samma referens. Annars kan det som en del kallar "mark" skilja sig från en annan del på grund av lätt motstånd i ledningar, vilket ökar i inkonsekvenser. Lödning till protoboard istället för att klibba med brödbrädor minskar också lite brus och skapar säkra anslutningar som du kan lita på i motsats till presspassning.

Det finns många andra sätt att undertrycka buller och störningar (se här och här), men du kan gå en kurs på det eller Google för mer information: låt oss gå vidare till själva kretsen!

Steg 4: Hur kretsen fungerar

Låt dig inte skrämmas av kretsschemat: här är en grov uppdelning av hur allt fungerar: (hänvisa också till föregående steg för några förklaringar också)

• Längst till vänster har vi elektroderna. En är fäst på det vänstra templet, en annan på det högra templet, och den tredje elektroden jordas till pannan. Denna jordning stabiliserar signalen så att det blir mindre drift, och det blir också av med några av 60Hz -störningen.
• Därefter är instrumentationsförstärkaren. Gå tillbaka två steg för en förklaring av vad det gör för att generera spänningsskillnaden. Ekvationen för att ändra förstärkarens förstärkning finns på sidan 7 i databladet [G = 1+ (50kOhm/Rg) där Rg är ansluten på förstärkarens stift 1 och 8]. För min krets justerade jag till en förstärkning på 500 med Rg = 100Ohm.
• Efter att instrumentationsförstärkaren matar ut 500x förstärkt spänningsskillnad finns det ett första ordningens RC lågpassfilter, som består av ett motstånd R_filter och kondensator C_filter. Lågpassfiltret förhindrar anti-aliasing (ingen oro för mig men för av Nyquist måste jag sampla minst 20Hz för en förväntad 10Hz bandbredd och Arduino ADC-samplen vid 10kHz-mer än tillräckligt) och bryter också bort buller vid alla frekvenser som jag inte behöver. RC -systemet fungerar eftersom kondensatorer tillåter höga frekvenser genom enkelt men hindrar lägre frekvenser (impedans Z = 1/(2*pi*f)), och att skapa en spänningsdelare med spänningen över kondensatorn resulterar i ett filter som endast tillåter lägre frekvenser genom [cutoff för 3dB intensitet styrs av formeln f_c = 1/(2*pi*RC)]. Jag justerade mitt filters R- och C -värden för att stänga av signaler högre än ~ 10Hz eftersom den biologiska signalen för EOGs förväntas i det intervallet. Ursprungligen avbröt jag efter 20Hz, men efter experiment 10Hz fungerade lika bra, så jag gick med den mindre bandbredden (mindre bandbredd är bättre för att klippa ut allt onödigt, för säkerhets skull).
• Med denna filtrerade signal mätte jag utmatningen med ett oscilloskop för att se mitt värdeintervall från att titta åt vänster och höger (de två ytterligheterna i mitt intervall). Det fick mig till ungefär en 2-4V (eftersom förstärkningsförstärkningsförstärkningen var 500x för intervallet ~ 4-8mV), när mitt mål är 5V (hela intervallet för Arduino ADC). Det här intervallet varierade mycket (baserat på hur väl personen tvättade huden i förväg, etc.) så jag ville inte ha så mycket vinst med min andra icke-inverterande förstärkare. Jag slutade med att justera den för att ha en förstärkning på endast cirka 1,3 (justera R1 och R2 i kretsen eftersom förstärkarens förstärkning = 1+R2/R1). Du måste omfatta din egen effekt och justera därifrån så att du inte går över 5V! Använd inte bara mina motståndsvärden.
• Denna signal kan nu matas in i den analoga Arduino -stiftet för läsning MEN Arduino ADC accepterar inte negativa ingångar! Du måste växla upp din signal så att intervallet är 0-5V i motsats till -2,5V till 2,5V. Ett sätt att fixa detta är att fästa marken på ditt kretskort till 3,3V -stiftet på Arduino: detta flyttar din signal upp med 3,3V (mer än 2,5V optimalt men det fungerar). Mitt räckvidd var verkligen häftigt så jag konstruerade en variabel offset-spänning: på det sättet kunde jag snurra potentiometern för att centrera intervallet till 0-5V. Det är i huvudsak en variabel spänningsdelare som använder +/- 9V strömskenor så att jag kan fästa kretsjorden till valfritt värde från -9 till 9V och därmed flytta min signal upp eller ner 9V.

Steg 5: Välj komponenter och värden

Med kretsen förklarad, hur väljer vi vilken (elektrod, op -amp) som ska användas?

• Som sensor har de fasta gelelektroderna hög ingångsimpedans och låg utgångsimpedans: vad detta i huvudsak betyder är att strömmen lätt kan passera nedströms till resten av kretsen (låg utgångsimpedans) men skulle ha problem med att passera uppströms tillbaka till dina tempel (hög ingångsimpedans). Detta förhindrar att användaren skadas av höga strömmar eller spänningar i resten av din krets. Faktum är att många system har något som kallas ett patientskyddsmotstånd för ytterligare skydd, för säkerhets skull.

  • Det finns många olika elektrodtyper. De flesta föreslår Ag/AgCl fastgelelektroder för användning i EKG/EOG/etc -applikationer. Med detta i åtanke måste du leta upp källmotståndet för dessa elektroder (gå två steg tillbaka för mina anteckningar om hudimpedans) och matcha det med bullermotståndet (brusspänning i V/sqrt (Hz) dividerat med brusström i A/sqrt (Hz) - se datablad med op -förstärkare) för dina op -förstärkare - det är så du väljer rätt instrumentförstärkare för din enhet. Detta kallas för brusmatchning och förklaringar till varför matchning av källmotstånd Rs till brusmotstånd Rn fungerar kan hittas online som här. För min INA111 som jag valde kan Rn beräknas med hjälp av brusspänningen och brusströmmen i databladet (skärmdump ovan).

    • Det finns Många artiklar som utvärderar elektrodprestanda, och ingen elektrod är den bästa för alla ändamål: prova här, till exempel. Impedansen ändras också för olika bandbredder som återspeglas i op amp -datablad (vissa datablad har kurvor eller tabeller vid olika frekvenser). Gör din forskning men kom ihåg att ha din plånbok i åtanke. Det är trevligt att veta vilka elektroder/op -förstärkare som är bäst, men det är ingen nytta om du inte har råd. Du behöver ~ 50 elektroder åtminstone för testning, inte bara 3 för engångsbruk.

      • För optimal brusmatchning bör inte bara Rn ~ = Rs: du vill också att brusspänning * brusström (Pn) ska vara så låg som möjligt. Detta anses viktigare än att göra Rn ~ = Rs eftersom du kan justera Rs och Rn genom att använda transformatorer om det behövs.

        Varningar med transformatorer (rätta mig om det är fel): de kan vara något skrymmande och därmed inte optimala för enheter som behöver vara små. De bygger också upp värme så kylflänsar eller utmärkt ventilation är nödvändiga

      • Buller matchar endast din första initiala förstärkare; den andra förstärkaren påverkar inte så mycket, så vilken op -amp kommer att göra.

Steg 6: Bygg kretsen

Använd fritzdiagrammet ovan för att bygga kretsen (andra kopian beskriver vad varje del refererar till i kretsschemat från föregående steg). Om du behöver hjälp med att identifiera lysdioderna i diagrammet, använd denna motståndsfärgkodskalkylator, men Rg på instrumentförstärkaren är 100Ohm, R_filteret är 1,5MOhm, C_filteret är 0,1uF, R1 på den icke inverterande förstärkaren är 10kOhm, R2 är 33 kOhm och motståndet för potentiometern är 1 kOhm (potentiometern varierar från 0 till 20 kOhm). Kom ihåg att ändra dina motståndsvärden efter behov för att justera vinsterna!

Edit: det finns ett fel i den förskjutna markdelen. Ta bort den vänstra svarta tråden. Motståndet ska anslutas med den röda ledningen till kraftskenan enligt bilden men också till den andra stiftet, inte den första, på potentiometern. Första stiftet på potentiometern ska anslutas till 5V -stiftet på Arduino. Orange tråd som är förskjuten jord bör anslutas till den andra stiftet, inte den första.

Jag har diskuterat offsetmarken mycket. I diagrammet kan du se att Arduino -marken visas som ansluten till brödbrädans mark. Det är i scenariot att du inte behöver byta mark. Om din signal är utanför räckvidden och du behöver byta mark, försök först ansluta Arduino -jord till 3,3V -stiftet på Arduino och se din signal. Annars kan du försöka ansluta den orangea ledningen i potentiometern som är inställd (förskjuten mark) till GND -stiftet på Arduino.

SÄKERHETSANMÄRKNING: förvara INTE batterierna vid lödning och lägg INTE eller löd INTE batterierna bakåt. Din krets börjar röka, kondensatorer kommer att blåsa och brödbrädan kan också skadas. Som tumregel, använd bara batterierna när du vill använda kretsen; annars tar du bort dem (lägg till en flip -switch för att enkelt kunna koppla ur batterierna skulle också vara en bra idé).

Observera att du bör bygga kretsen bit för bit (kontrollera varje steg!) Och på en brödbräda innan du löds till ett protoboard. Första steget att kontrollera är instrumentförstärkaren: fäst alla skenor (lod i batterihållare), Rg, etc och använd ett oscilloskop på utgångsstiften. Till att börja med, använd en funktionsgenerator med en 1Hz sinusvåg med 5mV amplitud (eller det lägsta din generator kommer att gå). Detta är bara för att kontrollera att instrumentförstärkaren fungerar korrekt, och din Rg ger din målvinst.

Kontrollera sedan ditt lågpassfilter. Lägg till den delen av kretsen och kontrollera din vågform: den ska se exakt likadan ut men mindre brus (taggig - se de två senaste bilderna ovan). Låt oss undersöka din slutliga utgång med ett oscilloskop med dina elektroder istället för en funktionsgenerator nu …

Steg 7: Testa krets med en människa

Sätt igen elektroderna på vänster och höger tempel och fäst en jordkabel till en elektrod på pannan. Först därefter ska du lägga till batterier - ta bort stickningar omedelbart om det händer stickningar och dubbelkontrollera anslutningarna !!! Kontrollera nu ditt värdeintervall när du tittar åt vänster mot höger och justerar R1/R2 för den icke-inverterande förstärkaren, som förklarades för två steg sedan-kom ihåg att målet är ett 5V-intervall! Se bilderna ovan för anteckningar om vad du ska se upp med.

När du är nöjd med alla motståndsvärden, löd allt till ett protoboard. Lödning är inte absolut nödvändigt, men det ger mer stabilitet över enkla presspassningsfogar och tar bort osäkerheten om kretsen inte fungerar helt enkelt för att du inte pressade in dem i ett brödbräda tillräckligt hårt.

Steg 8: Arduino -kod

All kod bifogad längst ner i detta steg!

Nu när du har ett 5V -intervall måste du se till att det faller inom 0-5V istället för -1V till 4V, etc. Anslut antingen marken till 3,3V -stiftet på Arduino eller anslut den förskjutna jordspänningen (orange tråd ovanför) till jordskenan och anslut sedan en kabel från jordskenan till Arduino-GND-stiftet (detta är att flytta signalen uppåt eller nedåt så att du faller inom 0-5V-intervallet). Du måste spela: glöm inte att omfatta din produktion när du är osäker!

Nu för kalibrering: du vill att ljuset ska ändra färger för olika ögonlägen (ser längst till vänster vs. inte så långt till vänster..). För det behöver du värden och intervall: kör EOG-kalibreringsnummer.ino till Arduino med allt anslutet ordentligt (avsluta anslutningarna till Arduino och neopixel enligt mitt fritzing-diagram). Inte super nödvändigt, men kör också bioe.py -koden som jag har - detta kommer att mata ut en textfil till skrivbordet så att du kan spela in alla värden när du tittar åt vänster eller höger (pythonkoden anpassades från detta exempel). Hur jag gjorde detta var att titta åt vänster för 8 slag, sedan höger, sedan upp, sedan ner och upprepa för medelvärde senare (se output_2.pdf för en logg jag förde). Tryck på ctrl+C för att tvinga avsluta när du är nöjd. Med hjälp av dessa värden kan du sedan justera animeringarnas intervall i min BioE101_EOG-neopixel.ino-kod. För mig hade jag en regnbågsanimation när jag tittade rakt fram, blått längst till vänster, grönt för svagt vänster, lila för svagt höger och rött längst till höger.

Steg 9: Framtida steg

Voila; något du kan styra med bara dina ögon. Det finns mycket att optimera innan det kan ta sig till ett sjukhus, men det är för en annan dag: de grundläggande begreppen är åtminstone lättare att förstå nu. En sak som jag skulle vilja gå tillbaka och ändra är att justera min förstärkning till 500 för instrumentförstärkaren: att se bakåt, det var nog för mycket eftersom min signal efteråt redan var 2-4V och jag hade svårt att använda den icke-inverterande förstärkare för att justera mitt intervall perfekt …

Det är svårt att få konsekvens eftersom signalen ändras SÅ MYCKET för olika förhållanden:

• annan person
• ljusförhållanden
• hudberedning (geler, tvätt, etc)

men trots det är jag ganska nöjd med mitt sista videobevis av prestanda (tagen vid 03:00 för det är då allt magiskt börjar fungera).

Jag vet att mycket av denna handledning kan verka förvirrande (ja, inlärningskurvan var också svår för mig) så ställ gärna frågor nedan så ska jag göra mitt bästa för att svara. Njut av!

Tvåa i den orörliga utmaningen